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空分系统低温液位计 非正常波动的分析与处理


文章日期:2018-12-21|阅读数:


摘要:分析了空分系统低温液位计非正常波动现象及原因,提出了解决方法及注意事项。处理后液空液面的波动值降低了16倍,主冷的波动降低了3/4。
1、概述:
    在空分系统生产过程中,经常会遇到低温液体液位计剧烈波动、工况无法稳定的情况。通常的做法是将正压侧取样管路切换到备用支路,然后将原管路通过吹除的方法进行处理后备用;另一种做法是用干燥的空气气源进行反吹后投人使用。这些方法一般能临时稳定液位,但时间稍长,液位波动又会重新出现。
    低温液位计在空分工艺过程控制中举足轻重,液位不稳定,空分工艺过程就不稳定,比如液空液位计显示主冷液面和氢馏分的稳定与否。主冷液面不稳定将影响吸入空气量,进而影响蒸发量的稳定,从而干扰带氢系统的稳定,而氢系统的不稳定反过来又会影响主塔的工作状态。同样,粗氢II系统的粗氢液面不稳定,同样会对粗氢I的氧、氢粗分离带来不利影响,从而波及馏分的稳定,进而影响主塔的工作状态。
    公司的20 000 Nm3/h等级制氧机组于2005年投产,该机组采用分子筛流程、膨胀空气进下塔的全低压无氢制氢工艺。自投产至今,下塔液空液位波动非常大,以600 mm为控制目标液位,其标准偏差78. 6 mm(***高液位可以达到900 mm,较低液位可以达到300 mm ),导致主冷液位也波动非常剧烈,以3 000 mm为控制目标液位,其标准偏差157. 8 mm(***高液位3 400 mm,较低液位2 600 mm,其间还必须加上调节阀阀位限制功能,否则波动更大。本文从不同方面分析了可能的原因,并经过多次尝试解决,提出了热不平衡机理的假设,基于此假设形成了辅助加热法AHM ( Auxiliary Heating Measure)解决方案,运用后稳定了所有的低温液面,使该机组的各项指标均超过了设计标准,为公司空分系统的节能增效找到了新的途径。
2、问题分析:
2.1、排查:

    针对下塔液空液面计非正常波动,首先需分析工艺和仪表,以确定是否反映真实波动,然后才能根据原因制定相应的对策。
    (1)排除v1调节阀和仪表的问题。公司先后建有六套制氧机组,除该套外,其余均未发生如此剧烈的液空波动。因此,多数意见倾向于调节阀和仪表出现问题的可能性较大。通过现场调校调节阀和更换弹簧,解决了v1调节阀在20%开度左右轻微喘动的现象,但是下塔液空液位波动没有明显改善;然后对压差式液位计更换和调试,波动仍然不见有效改观。据此可判断,调节阀和压差式液位计存在问题的可能性较小。系统表现为氧的产出基本没有问题,但氢系统不稳定,时常会出现氮塞情况,整体空分操作难度大,工况不易稳定。
    (2)怀疑空压机的压力调节有问题,可能是吸人空气量的波动导致下塔工况不稳定所致。但是通过下塔液空纯度的分析,结合下塔阻力的变化情况,可认为在筛板塔上出现问题的可能性较小,基本不存在落液的条件。
    (3)怀疑整体工艺热平衡的问题。由于该设备的板式换热器是气液混合式,中压氧的汽化是在板式过程中完成的,在选型时板式换热能力相对富裕量较小,因此板式中部温度存在一定的起伏(一98 °C-一110°C )。但即使降低空分总的负荷量到90 %,仍然无法改变其液面波动的事实,只是略微减轻而已。
    通过咨询设备厂家现场服务人员,认为有可能是下塔压力较低所致,导致阀前后压差不足。但V1阀门在氢系统未投人使用前开度约为50%,投人使用后开度平均在30%左右。因此,该原因的可能性不大,但仍然通过提升下塔压力至0. 46 MPaG来试验,结果与0. 44 MPaG的压力运行效果一样。

2.2、原因分析:
    作者注意到一个现象,就是每次开车后液空液面出现几天稳定,而后就波动如初了。根据这一现象,怀疑是液空液位计下取液管出了问题,但整个塔基温度稳定,大范围出现温度场异常的情况基本不可能发生。然后检查加热块的工况,无论电压还是电阻均未发现工作异常,因此重点从加热块周围的热负荷进行分析,以期找出具体原因。
图1低温液位计配置图

图1低温液位计配置图
    图1为低温液位计配置图。如图1所示,液空液位计的下取液管配备电加热块,同时还有液封。电加热块可以使到达其作用范围的低温液体汽化,形成前端是低温液体后端是气体的气液两相相对稳定的过程。如果加热块的周围温度场较低或加热块不足以提供足够的热量,就有可能出现低温液体涌过加热块,到达液封侧,加之液封侧可能出现变形,有可能在加热块与液封之间形成气泡。该气泡在周围环境的作用下可能频繁破裂和生成,导致下取液管的压力颤振,从而出现液面波动。
    从图1也可见,正常情况下在加热块与下塔之间应该是低温液态富氧空气,而加热块与液封之间应该是气态富氧空气。这样,差压变送器就可以准确地测量出低温液体的高度。但如果加热块工作不正常或其周围温度场较低,热平衡就会偏移至液封处。更坏的情况是,如果低温液体越过加热块到达液封处,那么,所测出的液位将比实际液位值低h, ,但当h,值变为0时,测量值就与真实值相等,如图2所示。而如果加热块后至液封之间的周围环境温度场是不稳态场,即其温度范围在一183℃左右,就可能由于加热块的加热作用和周围环境的冷却作用而频繁出现气泡产生和破灭的过程,从而导致液位波动。波动的范围决定于温度场的分布,一般而言,温度梯度小,波动范围大,而温度梯度大,波动范围小。
图2低温液体越过加热块到达液封外示意图
图2低温液体越过加热块到达液封外示意图
3、解决措施:
    以上分析可见,由于液位波动受加热块温度场分布支配,液位计显示的波动并不代表真实液位的波动,并出现每次开车液位会先稳定一段时间,然后产生波动的现象。
    解决这个问题有两种办法,是通过扒塔重新配置管路和加热块,改变温度场彻底解决该问题,第二是仅改变该管路里的温度场,使其汽液相交面移动并稳定在加热块处。若选择种,随着空分系统服务时间的增加,加热块附近的温度场仍然可能变得不可控制,出现波动的可能性依然存在;若选择第二种,可加辅助气源辅助其达到热平衡,该方法用较少的投资和费用就能解决问题。
    当通人外界气源时,通人介质的量、品质和压力需要慎重选择以确保液位值的真实性。通人压力过高、量过大,会导致取液下阀的加热器前的液体蒸发,导致过量的外界气体涌人下塔,造成塔体内工艺介质被污染,还会导致测量值超限,无参考价值。实践证明,通人管内的气量在原有液位测量值的基础增加适当的附加值,就足以满足工艺要求。介质的选择具体要求有: 
    (1)介质冷凝温度低,可在与液空接触的气液两相界面上形成一个较缓慢的传热传质区域,形成适合周围环境的温度场,就不易出现频繁的气泡产生和破灭现象,也就稳定了液面。
    (2)介质须无水分,否则会在下塔管路中形成冻堵,给空分系统的安全造成不可逆转的影响。
    (3)介质压力要比所需注人的环境压力大一定值,还需保证其压力的相对稳定。
    (4)介质不能对所要配合的液面产生大面积污染,否则导致纯度不合格或产生安全隐患。
    通过实验获知的数据表明经处理后液空液面的波动值降低了16倍,主冷的波动降低到原先的1/4左右。其间对来自液位的信号给予相应的技术处理,通过变PID控制方法,依据不同的液位和阀位调整开度,确立了一种经验算法,可以保证主冷液面在整个空分工艺过程中偏差在土50 mm以内,这种改进也有效缓解了下塔液空液面的波动情况。表1是改进前后数据的对比。
表1改进前后液空液面的波动情况

续表

    同理,对粗氢n的液面也采用了类似处理,原先有毛刺和突跳的液面波动也变得平滑。空分工艺过程的整体工况变得非常稳定,抗冲击性能大大加强,液氢产量从500 Nm'/h提升到810 Nm'/h,氧提取率上升了0. 2%。

蒸汽夹套型磁翻板液位
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玻璃管液位计
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侧装式磁翻板液位计
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电伴热磁翻板液位计
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盐酸液位计
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污水液位计
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水液位计
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4、结束语:
    通过对问题的分析处理可知,在空分系统设计和施工中一定要重点关注加热块周围的温度场,加热块的配置位置和液封的位置不能随意,否则会引起液面波动,影响整个空分工艺过程的稳定,使操作难度增大,经济效益下滑。


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